电子到空穴掺杂BaFe2As2铁基超导体系的电子拉曼散射实验研究

The discovery of iron-based superconductors has made a great breakthrough in condensed matter physics after cuprate superconductors. The iron-based superconducting family has the second highest transtion temperature and exhibits good malleability. It means that iron-based superconductors are enormously valuable in both fundamental research and potential industrial applications. In this project, we plan to carry out a comprehensive electronic Raman scattering study on electron and hole-doped high-quality iron-based superconductors repsented by BaFe2As2 system ("122"). We will employ two state-of-art Raman scattering facilities with low temperatures, high magnetic fields and high pressure, and other structural, transport and megnetic characterization methods such as temperature-variable and/or synchrotron x-ray diffraction, physical property measurement system (PPMS) and superconducting quantum interference devices (SQUID-VSM). We will be able to obtain key imformation on superconducting gap, electron-phonon coupling and antiferromagnetic fluctuations and their evolutions from electron to hole doping.The key parameters and their evolutions can help us to understand possible pairing symmetries. The systematic measurements will allow us to establish a self-consistent piture of the interactions between electrons, phonons, magnons and other elementry excitations in iron-based supercondutors, which may shed light into superconducting mechanism and offer substantial experimental evidences and/or clues for exploring relevant new-type superconductors.

铁基超导体是继铜氧化物高温超导体发现后凝聚态物理领域又一重大进展，它具有仅次于铜氧化物超导体的高转变温度和良好的金属延展性，蕴涵着重大的基础研究价值和应用潜力。本申请书采用低温强磁场高压拉曼散射系统，同时与变温和同步辐射X-射线衍射、物理性能测量系统（PPMS）和超导量子干涉仪（SQUID-VSM）等结构、输运和磁性测量手段配合，以BaFe2As2（"122"）体系为代表，拟对从电子掺杂到空穴掺杂的系列高质量单晶，进行系统的电子拉曼散射研究，获得超导能隙、电声子耦合和反铁磁波动从电子到空穴掺杂的系统演化行为，总结演化规律，分析可能的配对对称性，基于上述系统的测量数据尝试建立自洽的铁基超导中电子、声子、磁子等元激发相互作用的图像，为理解铁基超导机理和探索相关的新型超导体提供实验参考依据。

本项目主要采用低温拉曼散射技术手段，并辅以其他热力学测量等方法，针对122型铁基超导和相关体系的电子、磁性和电声子耦合等物理问题，进行了系统实验研究。(a) 研究了铁基超导体BaFe2As2母相中的反铁磁和电子向列相可能的共存机制。发现BaFe2As2中的B1g声子在结构相变~140K温度之上有较强的电声子耦合，而在该温度之下被削弱。详细的对称性分析表明，B1g声子在对称性上允许与dxz和dyz进行有效的耦合，这种耦合解除了两个轨道的简并，导致了电子向列相波动的出现。这一研究表明，铁基超导中的电子向列相一种可能的起源是来自电声子耦合。(b) 测量了BaFe2As2不同掺杂浓度下的拉曼谱，发现母体未掺杂122相的Eg模式在SDW转变后，出现明显的劈裂行为，这一劈裂与结构畸变、条纹序和轨道序有密切关联。(c) 合成了与BaFe2As2-122体系结构等价的LaCo2P2，通过Ce替换La形成了系列掺杂，并生长出了单晶，确定该体系的磁相图，结合第一原理计算，发现0.65掺杂附近存在结构和磁性的异常行为。用拉曼散射研究了122体系CaCo2As2的塌缩相变，发现至少有八支拉曼激活模式，其中两支被指认为本征的A1g和B1g模式，而其余的模式为Co空位相关的模式。B1模式在反铁磁相变附近出现明显异常，可能与磁相变附近的能隙打开有关，这一研究表明122体系中磁和结构相变的紧密关联。(d) 最近发现的NdO1-xFxBiS2超导体与铜氧化物超导体和铁基超导体有很多相似之处，对其进行了全面的拉曼散射研究，指认了拉曼声子模式并发现存在电声子耦合现象，但电声子耦合的强度不足以产生5K左右的超导，表明超导机制可能有其他来源。(e) 量子自旋组挫研究取得突破，新探索合成出一种有效自旋1/2的理想三角格子的材料YbMgGaO4，生长出了高质量的单晶，在低至60mK没有观察到相变行为，自旋熵在60mK已经趋于零，证明已经进入到自旋基态范围，这表明所发现的新材料实现量子自旋液体状态。通过对称性分析和晶体的各向异性热力学测量和电子顺磁共振测量，严格确定出该体系的自旋哈密顿量，为进一步理论研究打下基础。同时，该体系强的自旋轨道耦合为量子自旋液体态的实现注入了全新的因素，为将来的实验和理论研究打开了一条新的思路。